SiC外延晶片及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种降低三角缺陷和层积缺陷、载流子浓度和膜厚的均一性高、无台阶束的SiC外延晶片及其制造方法。本发明专利技术的SiC外延晶片，是在以0.4°～5°的偏离角倾斜的4H-SiC单晶基板上形成了SiC外延层的SiC外延晶片，其特征在于，所述SiC外延层的表面的三角形的缺陷密度为1个/cm2以下。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及，特别是涉及缺陷密度低、膜厚和载流子 密度的均一丨丨生高、没有台阶束(台阶聚束、台阶积累，Step bunching)的高品质的SiC外延 晶片及其制造方法。本申请基于在2009年12月14日在日本提出的专利申请2009-283113号要求优 先权，将其内容援引于本申请中。
技术介绍
作为对于地球温室化问题的应对，要求节能技术的提高。在很多的技术项目被提 出的过程中，降低电力转换时的能量损耗的功率电子学技术处于骨干技术的位置。功率电 子学以往使用硅(Si)半导体进行技术改良使性能提高，但据说从硅的材料物性的极限来 看，其性能的提高也正在接近极限。因此，与硅相比具有较大的物性极限的碳化硅(SiC)正 在受到期待。碳化硅相对于硅具有例如带隙约为3倍、绝缘击穿电场强度约为10倍、热导 率约为3倍的优异的物性，期待着面向功率器件、高频器件、高温工作器件等的应用。为了促进SiC器件的实用化，确立高品质的晶体生长技术、高品质的外延生长技 术是不可缺少的。SiC具有较多的多型，但为了制作实用的SiC器件，主要使用的是4H_SiC。作为SiC 器件的基板，使用由采用升华法等制成的块状晶体加工出的SiC单晶晶片，通常，采用化学 气相沉积法(CVD)在其上形成成为SiC器件的活性区域的SiC外延膜。在外延膜中容易混入与用于基板的多型不同的多型，例如，在基板使用了 4H_SiC 的情况下，混入3C-SiC和/或8H-SiC。不同的多型的混入扰乱晶格的层积结构，成为层积 缺陷。为了抑制它们的混入，外延生长一般是使SiC单晶基板微倾斜从而使其阶流 (St印-flow)生长(来自原子阶的横向生长)来进行，但具有快的生长速度的台阶追赶具有 慢的生长速度的台阶从而合体，产生台阶束。在制作高品质的外延膜时，需要降低层积缺陷和台阶束。另外，还需要降低外延膜 的表面的三角形的缺陷(以下称为「三角缺陷」)，降低面内的膜厚的偏差和载流子浓度的偏差。<低偏离角SiC单晶基板上的外延生长>在SiC基板为直到2英寸左右的尺寸的情况下，SiC单晶基板的偏离角(off angle)主要使用8°。在该偏离角下，晶片表面的台(terrace)宽度小，可容易地得到阶流 生长。但是，偏离角越大，从SiC锭得到的晶片枚数就越少。因此，在3英寸以上的SiC基 板中，主要使用4°左右的偏离角的基板。从削减成本的观点来看，要求确立更低的偏离角、最优选的是作为能够进行阶流 生长的偏离角已知的0. 4°左右的微倾斜偏离角SiC单晶基板上的外延生长技术。但是，偏离角越低，SiC单晶基板(晶片)的表面的台宽度就越大，因此进入到台阶端的迁移原子的进入速度、即台阶端的生长速度容易产生偏差，其结果，快的生长速度的台 阶追赶慢的生长速度的台阶从而合体，存在产生台阶束的的问题。特别是在外延面为Si面 的情况下，由于与C面相比表面原子的迁移被抑制，因此容易产生台阶束。台阶束的降低在 低偏离角Sic单晶基板的利用中是较大的课题。另外，例如，在0.4°的偏离角的晶片中，与4°的偏离角的晶片相比台宽度变为 10倍，阶流生长的长度变长一个数量级，因此有以往使用的常识的阶流生长的条件不能原 样地使用之虞。<台阶束及其观察、评价>所谓台阶束，是指在表面原子台阶(通常为2 10原子层左右)聚集并合体的现象， 也有时指该表面的阶差本身。在非专利文献2中表示了典型的台阶束。以往，台阶束的观察和评价，通过微分干涉显微镜等的光学显微镜和具有原子分 辨率的原子力显微镜(AFM)的组合来进行的情况较多(例如，非专利文献2、3)。<三角缺陷和层积缺陷以及它们的观察、评价>在本说明书中，所谓「三角缺陷」，是指具有与使SiC单晶基板微倾斜的[11-20]方 向垂直的边的大致三角形的缺陷，其存在于外延膜的表面(再者，在本说明书中，在密勒指 数的表记中，意指附于其紧后面的指数的杠)。尺寸虽然也取决于偏离角度、缺陷的起点 的深度和膜厚，但在从外延膜的表面侧观察的情况下，单边的尺寸为2 u nTlmm左右，高度 /深度为50nm左右。可以通过使用激光的光学式表面检查装置、宽范围观察型原子力显微 镜、微分干涉显微镜等进行检测。另外，层积缺陷是由于晶格面的重叠错位而产生的面缺陷的一种，在本说明书中 所谓「层积缺陷」，是通过光致发光(PL)测定，作为具有与使SiC单晶基板微倾斜的[11-20] 方向垂直的边的大致三角形的发光点或者暗部检测出的。尺寸虽然也取决于偏离角度、缺 陷的起点的深度和膜厚，但在从外延膜的表面侧观察的情况下，单边的尺寸为2 400 y m左 右，面积为100iinT80000iim2左右。在发光的情况下，在42(T430nm附近检测出3C的多型 的层积缺陷、在460nm附近检测出8H的多型的层积缺陷。在用750nm以上的IR光检测的 情况下，包含3C和8H的所有的层积缺陷作为暗部被检测到(非专利文献1)。再者，在光致发光(PL)测定时，可以检测出存在于外延膜的膜中的层积缺陷，因此 所谓本说明书的「层积缺陷」，存在于外延膜的膜整体中的「层积缺陷」成为对象。因此，存 在于外延膜中但不在表面显现的缺陷也成为对象，在这点上，不同于只有在外延膜的表面 显现的缺陷成为对象的「三角缺陷」。对于「三角缺陷」的降低方法，在专利文献1中报告了 在SiC单晶基板上，将材料 气体中所含有的碳和硅的原子数比(C/Si比)设为0. 7，在1625°C的生长温度下生长的5 u m 的SiC外延层(「缺陷降低层」)的表面，三角缺陷密度为2. 5个/cm2 (实施例1)，另外，将该 缺陷降低层的层厚设为0. 5 ym，在该层之上将原子数比(C/Si比)设为1.2，在相同生长温 度(1625°C)下生长的lOiim的SiC外延层(活性层)的表面，三角缺陷密度为2个/cm2 (实 施例2)，以及，不形成缺陷降低层，将原子数比(C/Si比)设为1.6，在1625°C下生长的lOym 的SiC外延层的表面，三角缺陷密度为5 10个/cm2 (比较例)。在专利文献1中，着眼于在比以往的生长温度150(Tl60(rC高的生长温度下外延 生长，为了降低「三角缺陷」需要形成「缺陷降低层」。另外，表示出仅靠「1625°C」这一比以往的生长温度高的生长温度的要件，不能够降低三角缺陷密度。<气体蚀刻和原料气体的供给>在SiC单晶基板上形成SiC外延膜吋，以往，在进行了机械研磨后，顺序进行化学 机械研磨(CMP)和气体蚀刻，进行了 SiC单晶基板的表面处理后，采用化学气相沉积法形成 了 SiC外延膜。气体蚀刻是为了起因于研磨エ序的损伤和研磨痕(擦痕)的除去和表面平坦 化，作为预处理在1500°C左右的高温下主要使用氢气进行蚀刻的处理。在气体蚀刻吋，ー边将作为SiC外延膜的原料气体的丙烷(C3H8)气体添加到氢气 氛中ー边进行(专利文献2、专利文献3的段落和非专利文献4)。如非专利文献4 所示，氢气蚀刻是为了得到良好的外延表面所必需的，但仅为氢时显示出产生了 Si小滴 (droplet)，通过添加C3H8，有可抑制其产生的效果。但是，如果由研磨造成的损伤和研磨痕(擦痕)在气体蚀刻后的基板表面还残本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.12.14 JP 283113/20091.一种SiC外延晶片，是在以O. 4° 5。的偏离角倾斜的4H-SiC单晶基板上形成了 SiC外延层的SiC外延晶片，其特征在于，所述SiC外延层的表面的三角形的缺陷密度为I 个/cm2以下。2.—种SiC外延晶片，是在以O. 4° 5°的偏离角倾斜的4H-SiC单晶基板上形成了 SiC外延层的SiC外延晶片，其特征在于，所述SiC外延层中的层积缺陷的密度为I个/cm2 以下。3.根据权利要求I或2的任一项所述的SiC外延晶片，其特征在于，在所述SiC外延层 的面方向的膜厚分布为2%以下，并且面方向的载流子浓度分布为10%以下的同时，在室温 下所述SiC外延晶片的主面翘曲成凸状，该凸部的曲率半径在IOnTlOOOm的范围。4.一种SiC外延晶片的制造方法，是在以O. 4° 5°的偏离角倾斜的4H-SiC单晶基 板上形成了 SiC外延层的SiC外延晶片的制造方法，其特征在于，具有在通过气体蚀刻将表面清洁化了的所述基板上，以碳化硅的外延生长所需要的 量的碳和硅的原子数比C/Si成为O. 7 1.2的方式供给含硅气体和含碳气体，在高于1600°C 且为1800°C以下的温度下外延生长碳化硅膜，所述碳化硅膜的外延生长，(I)在使用偏离角为O. 4° 2°的4H-SiC单晶基板的情 况下，在将外延生长碳化硅膜的生长温度设为160(Tl64(rC时，将生长速度设为f3ym/小 时进行，在将生长温度设为164(T170(TC时，将生长速度设为3 4 μ m/小时进行，在将生长 温度设为170(Tl800°C时，将生长速度设为Γ Ομπι/小时进行，(2)在使用偏离角为2° 5°的4H-SiC单晶基板的情况下，在将外延生长碳化硅膜的生长温度设为160(Tl640°C时， 将生长速度设为2 4μπι/小时进行，在将生长温度设为164(Tl700°C时，将生长速度设为 ΓΙΟ μ m/小时进行，在将生长温度设为170(Tl800°C时，将生长速度设为1(Γ20μπι/小时进 行。5.一种S...

【专利技术属性】
技术研发人员：武藤大祐，百瀬賢治，小田原道哉，
申请(专利权)人：武藤大祐，百瀬賢治，小田原道哉，
类型：发明
国别省市：